§ 60. Принцип Паули. Строение электронных оболочек атомов

Строение электронных оболочек атомов (объясняющее, в частности, периодичность химических свойств элементов) было раскрыто на основе фундаментального принципа квантовой физики, высказанного в 1924 г. швейцарским физиком Паули.

Согласно принципу Паули электроны, входящие в состав какой-либо системы, в частности внутриатомные электроны, не могут находиться в тождественных состояниях движения. Иначе говоря, в любом стационарном состоянии, характеризуемом совокупностью четырех, квантовых чисел не может находиться более одного электрона. Состояние, в котором находится электрон, называется заполненным. Если пользоваться представлениями теории Бора, то принцип Паули означает, что два или большее число электронов не могут двигаться по общей орбите, имея одинаковое направление спинов.

Принимая во внимание, что соответственно двум значениям спинового квантового числа возможны две различные ориентации спина электрона, принцип Паули можно сформулировать также следующим образом: в системе (в частности, в атоме) не может быть больше двух электронов, движение которых характеризуется одинаковыми значениями трех квантовых чисел

Поскольку магнитное квантовое число принимает значений, то в сложных многоэлектронных атомах число электронов, характеризующихся одинаковыми значениями двух квантовых чисел не превышает Таким образом, если атом обладает достаточно большим количеством электронов, то среди электронов, состояние движения которых характеризуется одинаковым главным квантовым числом не может существовать более

Из сказанного следует, далее, что общее число электронов в состояниях с определенным значением главного квантового числа не может быть больше Действительно, используя формулу для суммы членов арифметической прогрессии, получаем:

Электроны, обладающие одинаковыми объединяются в слои (или оболочки), т. е. главное квантовое число характеризует слой, к которому принадлежит электрон.

В нормальном состоянии атома все электроны определенным образом распределяются по отдельным слоям. Обычно электронные

слои обозначают буквами:

Главное квантовое число соответствует ближайшему к ядру -слою. В этом слое может находиться не более двух электронов, в соответствии с двумя возможными ориентациями спинов. Главное квантовое числом соответствует -слою, максимальное количество электронов в котором, как следует из сказанного выше, равно восьми (2-22) (из них два -электрона и шесть -электронов). В третьем слое, т. е. в -слое, максимально может содержаться электронов (из них два -электрона, шесть -электронов и -электронов) и т. д.

Так получается распределение электронов по слоям и подгруппам, которые характеризуются определенным значением указанное для различных элементов в таблицах, приведенных ниже. В последнем столбце таблицы на стр. 266 даны значения ионизационных потенциалов, т. е. той энергии, которая необходима для отрыва и удаления в бесконечность внешнего, точнее — наименее связанного с ядром электрона. В инертных газах осуществляется нижеследующее распределение электронов по слоям и подгруппам.

Строение электронных оболочек атомов инертных газов

(см. скан)

Не следует думать, что подгруппы или даже слои пространственно строго разделены. Если руководствоваться наглядными представлениями теории Бора, то следует учесть, что наряду с круговыми орбитами имеются эллиптические. Некоторые электроны, принадлежащие к какому-либо промежуточному слою и движущиеся по вытянутым эллиптическим орбитам, в некоторые моменты времени подходят к ядру ближе, чем электрон, принадлежащий к предыдущему слою и движущийся по менее вытянутой или по круговой орбите; в другие моменты времени те же электроны удаляются от ядра на расстояния, большие радиуса какой-либо круговой орбиты следующего слоя.

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

Во многих атомах внутренние электронные слои и подгруппы полностью укомплектованы, и тогда атомы соседних по порядковому номеру элементов различаются по числу электронов во внешнем, еще до конца не заполненном слое. В других случаях минимум энергии атома обеспечивается таким распределением электронов, что некоторые внутренние слои остаются, еще не заполненными, несмотря на значительное заполнение последующих слоев. Такие отступления от последовательного заполнения слоев наблюдаются, как можно видеть, рассматривая таблицу, у атомов калия, кальция, рубидия, стронция и у некоторых последующих элементов. В этих элементах заполняются подгруппы внешних слоев, в то время как некоторые подгруппы внутренних слоев остаются еще незаполненными. В группе редких земель напротив, происходит заполнение недоукомплектованной ранее внутренней подгруппы слоя тогда как строение внешних слоев атомов этих элементов тождественно, чем и объясняется глубокое химическое сходство элементов редких земель. Аналогичная картина наблюдается и в строении электронных оболочек группы актинидов к которой принадлежат и искусственно получаемые «трансурановые элементы».